中小型燃气锅炉低氮排放的几种解决方案

中小型燃气锅炉低氮排放的

几种解决方案

一、低氮燃烧的必要性

减少NOx排放是改善环境空气质量的需要近年来的监测数据表明，典型特征污染物PM2.5出现较大超标比例和区域性长时间严重超标情况，改善环境空气质量面临巨大挑战。

国内外研究和治理经验表明，控制区域性PM2.5污染是一项难度非常大的系统工程，必须在综合分析基础上，提出有针对性的控制对策，才能有效缓解区域PM2.5污染。

PM2.5包括一次排放和二次生成粒子两部分，以北京为例，二次粒子比例较高，特别是重污染时段PM2.5中二次粒子比例较常规时段明显增加。有观测数据表明，重污染发生时PM2.5与NOx的环境质量浓度变化呈现强相关、同步变化的特征。

NOx是PM2.5的重要前体物，在形成过程中有两个作用：一是反应生成的NO3-是二次粒子的重要化学组分;二是通过光解链式反应生成O3-，增加大气氧化性，提供将SOx、NOx氧化生成SO42-和NO3-的氧化剂。美国加州利用CAMQ模型模拟削减一次排放的NOx对PM2.5的影响，结果是每减少1吨NOx排放可减少约0.13吨PM2.5。北京最新研究结果表明，二次粒子是目前PM2.5的主要贡献者，且比2000年有明显上升，主要成分为水溶性离子(占

53%)、地壳元素(占22%)、有机质(占20%)和元素碳(占3%)，其他未知元素约占2% ，且NO3-/SO42-比例关系呈现增加趋势。水溶性离子中以SO42-、 NO3-和NH4+为主，三者之和(SNA)占PM2.5的比例平均近50%，SNA的浓度贡献是造成PM2.5污染的主要原因。因此，减少NOx排放是改善空气环境质量的重要任务之一。

二、低氮燃烧机理及技术研究

1、甲烷-空气燃烧过程氮化学基本原理

燃烧理论将NOx的生成分为热力型NOx(Thermal NOx)、快速型NOx(Prompt NOx)和燃料型NOx(Fuel NOx)。天然气中含氮量较低，因此，燃料型NOx不是其主要的控制类型。热力型NOx是指燃烧用空气中的N2在高温下氧化生成NOx。关于热力型NOx的生成机理一般采用捷里道维奇机理：当温度低于1500℃时，热力NOx 的生成量很少;高于1500℃时，温度每升高100℃，反应速度将增大6~7倍。在实际燃烧过程中，由于燃烧室内的温度分布是不均匀的，如果有局部高温区，则在这些区域会生成较多的NOx，它可能会对整个燃烧室内的NOx生成起关键性的作用。快速型NOx在碳氢燃料燃烧且富燃料的情况下，反应区会快速生成NOx。在实际的燃烧过程中各种因素是单独变化的，许多参数均处于不断的变化中，即使是最简单的气体燃料的燃烧，也要经历燃料和空气相混合，燃烧产生烟气，直到最后离开炉膛。炉膛的温度、燃料和空气的混合程度、烟气在炉内停留时间等这些对NOx排放有较大影

响的参数均处于不断的变化之中。

燃料和空气混合物进入炉膛后，由于受到周围高温烟气的对

流和辐射加热，混合物气流温度很快上升。当达到着火温度时，

燃料开始燃烧，这时温度急剧上升到近于绝热温度水平。同时，

由于烟气与周围介质间的对流和辐射换热，温度逐渐降低，直到

与周围介质温度相同，也即烟气边冷却边流过整个炉膛。由此可见，炉内的火焰温度分布实际上是不均匀的。通常，离燃烧器出

口一定距离处的温度最高，在其前后的温度都较低，即存在局部

高温区。由于该区的温度要比炉内平均温度水平高得多，因此它

对NOx生成量有很大的影响：温度越高，NOx生成量越多。因此，在炉膛中，为了抑制NOx的生成，除了降低炉内平均温度外，还

必须设法使炉内温度分布均匀，避免局部高温。

2、国内外燃气工业锅炉NOx控制技术现状

现有低NOx燃烧技术主要围绕如何降低燃烧温度，减少热力

型NOx生成开展的，主要技术包括分级燃烧、预混燃烧、烟气再

循环、多孔介质催化燃烧和无焰燃烧。

(1)燃料分级燃烧或空气分级燃烧

热力型NOx生成很大程度上取决于燃烧温度。燃烧温度在当

量比为1的情况下达到最高，在贫燃或者富燃的情况下进行燃烧，燃烧温度会下降很多。运用该原理开发出了分级燃烧技术。

空气分级燃烧第一级是富燃料燃烧，在第二级加入过量空气，

为贫燃燃烧，两级之间加入空气冷却以保证燃烧温度不至于太高。燃料分级燃烧与空气分级燃烧正好相反，第一级为燃料稀相燃烧，而在第二级加入燃料使得当量比达到要求的数值。这两种方法最

终将会使整个系统的过量空气系数保持一个定值，为目前普遍采

用的低氮燃烧控制技术。

(2)贫燃预混燃烧技术

预混燃烧是指在混合物点燃之前燃料与氧化剂在分子层面上

完全混合。对于控制NOx的生成，这项技术的优点是可以通过当

量比的完全控制实现对燃烧温度的控制，从而降低热力型NOx生

成速率，在有些情况下，预混燃烧和部分预混可比非预混燃烧减

少85%—90%的NOx生成。另外，完全预混还可以减少因过量空气

系数不均匀性所导致的对NOx生成控制的降低。但是，预混燃烧

技术在安全性控制上仍存在未解决的技术难点：一是预混气体由

于其高度可燃性可能会导致回火;二是过高的过量空气系数会导致

排烟损失的增加，降低了锅炉热效率。

(3)外部烟气再循环和内部烟气再循环技术

燃烧温度的降低可以通过在火焰区域加入烟气来实现，加入

的烟气吸热从而降低了燃烧温度。通过将烟气的燃烧产物加入到

燃烧区域内，不仅降低了燃烧温度，减少了NOx生成;同时加入的

烟气降低了氧气的分压，这将减弱氧气与氮气生成热力型NOx的

过程，从而减少NOx的生成。根据应用原理的不同，烟气再循环

有两种应用方式，分别为外部烟气再循环与内部烟气再循环。